(57)【要約】  半導体層（９）と３つの上部電極（１１、１３、１５）により直列のトランジスタ構造を形成する。半導体層（９）を強誘電体層（７）と接した構造とし、２つのトランジスタに対して分極の向きを上下に変化させると、２つのチャネルの温度特性の極性を逆向きとできる。
2011111309.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度センサにより温度を測定する方法であって、以下の工程（ａ）〜（ｃ）を具備する：
前記温度センサを準備する工程（ａ）、
ここで、前記温度センサは、下部電極群、強誘電体層、半導体層、および上部電極群を具備しており、
前記下部電極群、前記強誘電体層、前記半導体層、および前記上部電極群は、この順で積層されており、
前記下部電極群は、第１の下部電極および第２の下部電極を具備しており、
前記上部電極群は、第１の上部電極、第２の上部電極、および第３の上部電極を具備しており、
前記第２の上部電極は、前記第１の上部電極と前記第３の上部電極との間に挟まれており、
前記第１の下部電極と前記第１の上部電極との間に、前記強誘電体層の第１強誘電体部分が挟まれ、
前記第２の下部電極と前記第３の上部電極との間に、前記強誘電体層の第２強誘電体部分が挟まれ、
前記第２強誘電体部分は、前記第１強誘電体部分の分極方向とは逆の分極方向を有し、
前記第１の上部電極と前記第２の上部電極との間に挟まれる前記半導体層の部分に第１チャネルが形成されており、
前記第２の上部電極と前記第３の上部電極との間に挟まれる前記半導体層の部分に第２チャネルが形成されており、
前記第１の上部電極および前記第３の上部電極に、それぞれ電圧ＶDDおよび０Ｖを印加し、第２の上部電極からの出力電圧ＶOUTを測定する工程（ｂ）、
以下の等式（２）から温度Ｔを算出する工程（ｃ）
【数３】
2011111309.tif 000005
ここで、Ｒd1は、強誘電体層の温度ＴがＴ1の時の前記第１チャネルの抵抗値を表し、
Ｒu1は、強誘電体層の温度ＴがＴ1の時の第２チャネルの抵抗値を表し、
Ｒd2は、強誘電体層の温度ＴがＴ2の時の第１チャネルの抵抗値を表し、そして
Ｒu2は、強誘電体層の温度ＴがＴ2の時の第２チャネルの抵抗値を表す。
【請求項２】
前記第１チャネルは、幅Ｗ1および長さＬ1を有しており、
前記第２チャネルは、幅Ｗ2および長さＬ2を有しており、
以下の等式（１）によって表されるチャネルサイズ比αが３０以上である、請求項１に記載の方法。
α＝（Ｗ1／Ｌ1）／（Ｗ2／Ｌ2）  ・・・（１）
【請求項３】
前記強誘電体層が４０ｎｍ以上の厚みを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記半導体層が７０ｎｍ以下の厚みを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記半導体層が７０ｎｍ以下の厚みを有する、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記強誘電体層が４０ｎｍ以上の厚みを有する、請求項２に記載の方法。
【請求項７】
前記半導体層が７０ｎｍ以下の厚みを有する、請求項２に記載の方法。
【請求項８】
前記半導体層が７０ｎｍ以下の厚みを有する、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
以下を具備する温度センサ：
前記温度センサは、下部電極群、強誘電体層、半導体層、および上部電極群を具備しており、
前記下部電極群、前記強誘電体層、前記半導体層、および前記上部電極群は、この順で積層されており、
前記下部電極群は、第１の下部電極および第２の下部電極を具備しており、
前記上部電極群は、第１の上部電極、第２の上部電極、および第３の上部電極を具備しており、
前記第２の上部電極は、前記第１の上部電極と前記第３の上部電極との間に挟まれており、
前記第１の下部電極と前記第１の上部電極との間に、前記強誘電体層の第１強誘電体部分が挟まれ、
前記第２の下部電極と前記第３の上部電極との間に、前記強誘電体層の第２強誘電体部分が挟まれ、
前記第２強誘電体部分は、前記第１強誘電体部分の分極方向とは逆の分極方向を有し、
前記第１の上部電極と前記第２の上部電極との間に挟まれる前記半導体層の部分に第１チャネルが形成されており、
前記第２の上部電極と前記第３の上部電極との間に挟まれる前記半導体層の部分に第２チャネルが形成されている。
【請求項１０】
前記第１チャネルは、幅Ｗ1および長さＬ1を有しており、
前記第２チャネルは、幅Ｗ2および長さＬ2を有しており、
以下の等式（１）によって表されるチャネルサイズ比αが３０以上である、請求項９に記載の温度センサ。
α＝（Ｗ1／Ｌ1）／（Ｗ2／Ｌ2）  ・・・（１）
【請求項１１】
前記強誘電体層が４０ｎｍ以上の厚みを有する、請求項９に記載の温度センサ。
【請求項１２】
前記半導体層が７０ｎｍ以下の厚みを有する、請求項９に記載の温度センサ。
【請求項１３】
前記半導体層が７０ｎｍ以下の厚みを有する、請求項１１に記載の温度センサ。
【請求項１４】
前記強誘電体層が４０ｎｍ以上の厚みを有する、請求項１０に記載の温度センサ。
【請求項１５】
前記半導体層が７０ｎｍ以下の厚みを有する、請求項１０に記載の温度センサ。
【請求項１６】
前記半導体層が７０ｎｍ以下の厚みを有する、請求項１４に記載の温度センサ。
【請求項１７】
以下を具備する温度測定装置：
前記温度測定装置は、温度センサおよび演算装置を備え、
前記温度センサは、下部電極群、強誘電体層、半導体層、および上部電極群を具備しており、
前記下部電極群、前記強誘電体層、前記半導体層、および前記上部電極群は、この順で積層されており、
前記下部電極群は、第１の下部電極および第２の下部電極を具備しており、
前記上部電極群は、第１の上部電極、第２の上部電極、および第３の上部電極を具備しており、
前記第２の上部電極は、前記第１の上部電極と前記第３の上部電極との間に挟まれており、
前記第１の下部電極と前記第１の上部電極との間に、前記強誘電体層の第１強誘電体部分が挟まれ、
前記第２の下部電極と前記第３の上部電極との間に、前記強誘電体層の第２強誘電体部分が挟まれ、
前記第２強誘電体部分は、前記第１強誘電体部分の分極方向とは逆の分極方向を有し、
前記第１の上部電極と前記第２の上部電極との間に挟まれる前記半導体層の部分に第１チャネルが形成されており、
前記第２の上部電極と前記第３の上部電極との間に挟まれる前記半導体層の部分に第２チャネルが形成されており、
前記演算装置は、処理部、記憶部、出力部、および入力部を具備し、
前記入力部には前記第２の上部電極からの出力電圧ＶOUTが入力され、
前記記憶部は、定数Ｒd1、定数Ｒu1、定数Ｒd2、定数Ｒu2を記憶しており、
前記処理部は、前記記憶部を参照しながら以下の等式（２）に基づいて温度Ｔを算出し、
【数４】
2011111309.tif 000006
前記出力部は、算出された前記温度Ｔを出力する。
【請求項１８】
前記出力電圧Ｖoutは、前記第１の上部電極および前記第３の上部電極に、それぞれ電圧ＶDDおよび０Ｖを印加したときに第２の上部電極から出力される電圧であり、
Ｒd1は、強誘電体層の温度ＴがＴ1の時の前記第１チャネルの抵抗値を表し、
Ｒu1は、強誘電体層の温度ＴがＴ2の時の第２チャネルの抵抗値を表し、
Ｒd2は、強誘電体層の温度ＴがＴ2の時の第１チャネルの抵抗値を表し、そして
Ｒu2は、強誘電体層の温度ＴがＴ2の時の第２チャネルの抵抗値を表す、請求項１７に記載の温度測定装置。
【請求項１９】
前記第１チャネルは、幅Ｗ1および長さＬ1を有しており、
前記第２チャネルは、幅Ｗ2および長さＬ2を有しており、
以下の等式（１）によって表されるチャネルサイズ比αが３０以上である、請求項１７に記載の温度測定装置。
α＝（Ｗ1／Ｌ1）／（Ｗ2／Ｌ2）  ・・・（１）
【請求項２０】
前記強誘電体層が４０ｎｍ以上の厚みを有する、請求項１７に記載の温度測定装置。
【請求項２１】
前記半導体層が７０ｎｍ以下の厚みを有する、請求項１７に記載の温度測定装置。
【請求項２２】
前記半導体層が７０ｎｍ以下の厚みを有する、請求項２０に記載の温度測定装置。
【請求項２３】
前記強誘電体層が４０ｎｍ以上の厚みを有する、請求項１９に記載の温度測定装置。
【請求項２４】
前記半導体層が７０ｎｍ以下の厚みを有する、請求項１９に記載の温度測定装置。
【請求項２５】
前記半導体層が７０ｎｍ以下の厚みを有する、請求項２３に記載の温度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焦電型温度センサを用いて温度を測定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
温度変化により焦電体表面の電荷量が増減する。これは、焦電効果と呼ばれる。焦電型温度センサは、焦電効果を利用して温度を検出する。特許文献１は、焦電体／半導体構造を備える従来の焦電型温度センサを開示している。【０００３】
図１４は、特許文献１に開示された焦電型温度センサの断面図を示す。当該焦電型温度センサは、焦電薄膜１０１、センサ電極１０２、半導体薄膜１０３、ソース電極１０４、ドレイン電極１０５、層間絶縁膜１０６、および引き出し電極１０７を具備する。【０００４】
温度の変化を原因とする焦電効果により、焦電薄膜１０１と半導体層１０３との界面の近傍の部分の電位が変調される。この変調が、チャネル領域または空乏層を形成する。当該形成は導電率を大きく変化する。このようにして、焦電薄膜における温度の変化が薄膜トランジスタのドレイン電流の変化に変換される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平２−１３７２６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１によれば、薄膜トランジスタの増幅特性を超える効果が得られない。さらに、ドレイン電流量の検出は、複雑な外部回路を必要とする。【０００７】
本発明の目的は、より高い感度を有する小型の焦電型温度センサを用いて温度を測定する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、温度センサを用いて温度を測定する方法を提供する。当該方法は、以下の工程を具備する：
前記温度センサを準備する工程、
ここで、前記温度センサは、下部電極群、強誘電体層、半導体層、および上部電極群を具備しており、
前記下部電極群、前記強誘電体層、前記半導体層、および前記上部電極群は、この順で積層されており、
前記下部電極群は、第１の下部電極および第２の下部電極を具備しており、
前記上部電極群は、第１の上部電極、第２の上部電極、および第３の上部電極を具備しており、
前記第２の上部電極は、前記第１の上部電極と前記第３の上部電極との間に挟まれており、
前記第１の下部電極と前記第１の上部電極との間に、前記強誘電体層の第１強誘電体部分が挟まれ、
前記第２の下部電極と前記第３の上部電極との間に、前記強誘電体層の第２強誘電体部分が挟まれ、
前記第１強誘電体部分の分極方向は、前記第２強誘電体部分の分極方向とは逆であり、
前記第１の上部電極と前記第２の上部電極との間に挟まれる前記半導体層の部分に第１チャネルが形成されており、
前記第２の上部電極と前記第３の上部電極との間に挟まれる前記半導体層の部分に第２チャネルが形成されており、
前記第１の上部電極および前記第３の上部電極に、それぞれ電圧ＶDDおよび０Ｖを印加し、第２の上部電極からの出力電圧ＶOUTを測定する工程、
以下の等式（２）から温度Ｔを算出する工程
【数１】
2011111309.tif 000003
ここで、Ｒd1は、強誘電体層の温度ＴがＴ1の時の前記第１チャネルの抵抗値を表し、
Ｒu1は、強誘電体層の温度ＴがＴ1の時の第２チャネルの抵抗値を表し、
Ｒd2は、強誘電体層の温度ＴがＴ2の時の第１チャネルの抵抗値を表し、そして
Ｒu2は、強誘電体層の温度ＴがＴ2の時の第２チャネルの抵抗値を表す。【０００９】
上記の温度センサもまた、本発明の趣旨に包含される。【００１０】
上記の温度センサおよび演算装置を備えた温度測定装置も本発明の趣旨に包含される。【００１１】
ここで、前記演算装置は、処理部、記憶部、出力部、および入力部を具備し、
前記入力部には前記第２の上部電極からの出力電圧ＶOUTが入力され、
前記記憶部は、定数Ｒｄ１、定数Ｒｕ１、定数Ｒｄ２、および定数Ｒｕ２を記憶しており、
前記処理部は、前記記憶部を参照しながら上記の等式（２）に基づいて温度Ｔを算出し、
前記出力部は、算出された前記温度Ｔを出力する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は高感度な焦電型温度センサを用いて温度を測定する方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、実施の形態１による焦電型温度センサを示す。
【図２】図２は、実施の形態１による焦電型温度センサの上面図を示す。
【図３】図３は、焦電型温度センサの初期状態における断面図を示す。
【図４】図４は、分極１７の方向を決める方法を示す。
【図５】図５（ａ）および図５（ｂ）は、それぞれ第１チャネル２１および第２チャネル２３の抵抗値を測定する方法を示す。
【図６】図６は、焦電型温度センサを製造する方法を示す。
【図７】図７（ａ）は、実施例１における温度と第１チャネル２１の抵抗値との間の関係を示す。図７（ｂ）は、温度と第２チャネル２３の抵抗値との間の関係を示す。
【図８】図８は、実施例１において、恒温槽の温度と出力電圧から算出された温度とを比較した表を示す。
【図９】図９は、実施例２における、横軸がチャネルサイズの比αを表し、縦軸が出力変化を表すグラフを示す。
【図１０】図１０（ａ）は、強誘電体層７において異なる材料が用いられた場合における、実施例３での温度と第１チャネル２１の抵抗値との間の関係を示す。図１０（ｂ）は、強誘電体層７において異なる材料が用いられた場合における、実施例３での温度と第２チャネル２３の抵抗値との間の関係を示す。
【図１１】図１１は、実施例３において、恒温槽の温度と出力電圧からの算出温度とを比較した表を示す。
【図１２】図１２は、実施例４において、強誘電体層７の厚みと、２０℃から８０℃へ温度が上昇した際の焦電型温度センサの出力電圧との関係を示す。
【図１３】図１３は、実施例５において、半導体層９の厚みと、２０℃から８０℃へ温度が上昇した際の焦電型温度センサの出力電圧との関係を示す。
【図１４】図１４は、特許文献１に開示された焦電型温度センサの断面図を示す。
【図１５】図１５は、本発明の焦電型温度センサ１および演算装置を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図面を参照しながら、本発明の実施の形態が以下、説明される。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１による焦電型温度センサを示す。
【００１６】
図１に示されるように、本焦電型温度センサ１は、基板２、支持膜３、下部電極群５・６、強誘電体層７、半導体層９、上部電極群１１・１３・１５を具備する。
【００１７】
下部電極群５・６、強誘電体層７、半導体層９、および上部電極群１１・１３・１５は、この順で積層されている。
【００１８】
下部電極群は、第１の下部電極５および第２の下部電極６を具備している。
【００１９】
上部電極群は、第１の上部電極１１、第２の上部電極１３、および第３の上部電極１５を具備している。
【００２０】
第２の上部電極１３は、第１の上部電極１１と第３の上部電極１５との間に挟まれている。
【００２１】
第１の下部電極５と第１の上部電極１１との間に、強誘電体層７の第１強誘電体部分７ａが挟まれている。
【００２２】
第２の下部電極６と第３の上部電極１５との間に、強誘電体層７の第２強誘電体部分７ｂが挟まれている。
【００２３】
第２強誘電体部分７ｂは、第１強誘電体部分７ａの分極方向とは逆の分極方向を有している。
【００２４】
第１の上部電極１１と第２の上部電極１３との間に挟まれる半導体層９の部分に第１チャネル２１が形成されている。第１強誘電体部分７ａは、第１チャネル２１の下に位置している。
【００２５】
第２の上部電極１３と第３の上部電極１５との間に挟まれる半導体層９の部分に第２チャネル２３が形成されている。第２強誘電体部分７ｂは、第２チャネル２３の下に位置している。
【００２６】
図１、図３、図４、および図５における矢印は、分極１７の方向を表す。本明細書では、当該矢印の先端に正の電荷が偏っていることが定義される。本明細書では、矢印の先端が半導体層９に向いている場合には、分極１７は上向きであると定義される。一方、矢印の先端が支持膜３を向いている場合には、分極１７は下向きであると定義される。
【００２７】
図１において、出力電圧Ｖoutは、電圧計８１によって測定される第２上部電極１３の電位を表す。
【００２８】
図２は、実施の形態１による焦電型温度センサの上面図を示す。図１は、図２のＡ−Ａ’断面図である。第１上部電極１１および第２上部電極１３は、それぞれ、第１チャネル２１のドレイン電極およびソース電極として機能する。第２上部電極１３および第３上部電極１５は、それぞれ、第２チャネル２３のドレイン電極およびソース電極として機能する。
【００２９】
第１チャネル２１は、Ｗ1の幅およびＬ1の長さを有する。第２チャネル２３は、Ｗ2の幅およびＬ2の長さを有する。
【００３０】
チャネルサイズ比αは以下の等式（１）により定義される。
α＝（Ｗ1／Ｌ1）／（Ｗ2／Ｌ2）  ・・・（１）
【００３１】
図３は、焦電型温度センサの初期状態における断面図を示す。図３に示されるように、初期状態においては、分極１７の方向は、しばしば、決められていない。
【００３２】
図４は、分極１７の方向を決める方法を示す。図４に示されるように、第１上部電極１１、第２上部電極１３、および第３上部電極１５を接地しながら、第１下部電極５および第２下部電極６に、それぞれ負の電圧および正の電圧が印加される。その後、電圧を除去する。このようにして、分極１７は図４に示されるように決定される。すなわち、第１チャネル２１の下に位置する強誘電体層７の第１強誘電体部分７ａにおける分極１７の向きは下向きになるように決定される。一方、第２チャネル２３の下に位置する強誘電体層７の第２強誘電体部分７ｂにおける分極１７の向きは上向きになるように決定される。
【００３３】
その後、第１チャネル２１および第２チャネル２３の抵抗値が測定される。図５（ａ）および図５（ｂ）は、それぞれ第１チャネル２１および第２チャネル２３の抵抗値を測定する方法を示す。
【００３４】
図５（ａ）に示されるように、第２上部電極１３、第１下部電極５、および第２下部電極６が接地されながら、第１上部電極１１に正の電圧が印加され、第１チャネル２１を流れる電流値を測定する。さらに、加熱手段（図示せず）を用いて焦電型温度センサ１の温度を変化させることによって、第１チャネル２１の抵抗値と温度との関係が得られる。
【００３５】
図５（ｂ）に示されるように、第３上部電極１５、第１下部電極５、および第２下部電極６が接地されながら、第２上部電極１３に正の電圧が印加され、第２チャネル２３を流れる電流値を測定する。図５（ａ）と同様に、加熱手段（図示せず）を用いて焦電型温度センサ１の温度を変化させることによって、第２チャネル２３の抵抗値と温度との関係が得られる。
【００３６】
このようにして、抵抗値Ｒd1、Ｒu1、Ｒd2、およびＲu2が得られる。
Ｒd1は、強誘電体層７の温度ＴがＴ1の時の第１チャネル２１の抵抗値を表す。
Ｒu1は、強誘電体層７の温度ＴがＴ1の時の第２チャネル２３の抵抗値を表す。
Ｒd2は、強誘電体層７の温度ＴがＴ2の時の第１チャネル２１の抵抗値を表す。
Ｒu2は、強誘電体層７の温度ＴがＴ2の時の第２チャネル２３の抵抗値を表す。
【００３７】
次に、温度を測定する方法が説明される。
【００３８】
図１に示されるように、電源電圧ＶDDが第１の上部電極１１に印加される。当該電源電圧ＶDDは、第１チャネル２１の抵抗値Ｒdおよび第２チャネル２３の抵抗値Ｒuに従って分配され、そして第２の上部電極１３の電位が出力電圧Ｖoutとして出力される。
【００３９】
温度Ｔの変化に従って抵抗値Ｒdおよび抵抗値Ｒuが変化する。これは、出力電圧Ｖoutが変化することをもらたす。
【００４０】
本発明者らは、出力電圧Ｖout、抵抗値Ｒd1、抵抗値Ｒu1、抵抗値Ｒd2、および抵抗値Ｒu2を含む以下の等式（２）から、強誘電体層７の温度Ｔ℃を測定できることを見出した。
【数２】
2011111309.tif 000004
【００４１】
図７に示されるように、本発明者らは、チャネルの抵抗値が当該チャネルの温度に比例することを見出した。さらに、本発明者らは、強誘電体層７における分極の向きが反転されると、当該比例の傾きも反転するという関係も見出した。
【００４２】
すなわち、下向きの分極１７を有する第１強誘電体部分７ａに接する第１チャネル２１の温度が上昇すると、当該第１チャネル２１の抵抗値は低下する。当該第１チャネル２１の抵抗値の低下は、当該温度の上昇に比例する。
【００４３】
一方、上向きの分極１７を有する第２強誘電体部分７ｂに接する第２チャネル２３の温度が上昇すると、当該第２チャネル２３の抵抗値は上昇する。当該第２チャネル２３の抵抗値の上昇は、当該温度の上昇に比例する。
【００４４】
言うまでもないが、下向きの分極を有する第１強誘電体部分７ａに接する第１チャネル２１の温度が低下すると、当該第１チャネル２１の抵抗値は上昇する。当該第１チャネル２１の抵抗値の上昇は、当該温度の低下に比例する。
【００４５】
一方、上向きの分極を有する第２強誘電体部分７ｂに接する第２チャネル２３の温度が低下すると、当該第２チャネルの抵抗値は低下する。当該第２チャネル２３の抵抗値の低下は、当該温度の低下に比例する。
【００４６】
本発明の焦電型温度センサは、１５０℃以下の温度測定に用いられ得る。温度が１５０℃を超える場合、分極が不安定になり得る。本発明の焦電型温度センサは、−２０℃以上の温度測定に用いられることが好ましい。
【００４７】
当該関係のため、従来の焦電型温度センサと比較して、本発明の焦電型温度センサは、温度に対するより高い感度を有する。
【００４８】
本発明の温度測定装置は、上記の焦電型温度センサおよび演算装置を備える。図１５に示されるように、演算装置は、処理部、記憶部、出力部、および入力部を具備する。第２の上部電極１３からの出力電圧ＶOUTが入力部に入力される。記憶部は、定数Ｒｄ1、定数Ｒｕ1、定数Ｒｄ2、定数Ｒｕ2を記憶している。これらの定数は、工場において量産された当該温度測定装置が当該工場から出荷されるまでに、記憶部に記憶される。すなわち、工場出荷時においてこれらの定数が記憶された温度測定装置は、本発明の趣旨に包含される。
【００４９】
本発明の温度測定装置のユーザは、そのユーザがその温度を知りたい物体に温度センサを触れさせる。処理部は、記憶部を参照しながら上記の等式（２）に基づいて温度Ｔを算出する。そして、出力部は、算出された温度Ｔを出力する。このようにして、当該ユーザは当該物体の温度Ｔを知る。当該物体は、気体、液体、または固体であり得る。
【００５０】
（実施例）
以下の実施例は本発明をより詳細に説明する。
【００５１】
（実施例１）
図６は、焦電型温度センサを製造する方法を示す。
【００５２】
（ａ）  ７００℃の温度下にて、ＭｇＯ（１００）単結晶基板２の上に、パルスレーザ堆積法（以下、「ＰＬＤ法」）により、１５０ｎｍの厚みを有するＳｒＴｉＯ3薄膜が堆積され、支持膜３を形成した。
【００５３】
基板２の温度を４００℃に設定した後、２００ｎｍの厚みを有する白金膜がＰＬＤ法で堆積された。レジスト（図示せず）が塗布され、かつパターニングされ、エッチングマスクを形成した。ＣＦ4ガスを用いた反応性イオンエッチング法により白金膜がエッチングされた。その後、レジストを除去し、図６（ａ）に示すように、第１下部電極５および第２下部電極６が形成された。
【００５４】
（ｂ）  基板２の温度を６００℃に設定した後、５００ｎｍの厚みを有する（Pb,La)TiO3膜（ＰＬＴ膜）がＰＬＤ法により堆積された。このようにして、図６（ｂ）に示すように、強誘電体層７が堆積された。ＰＬＴ膜のＰｂ：Ｌａ比は９：１に設定された。基板２の温度を４００℃に設定した後、ＰＬＤ法により、３０ｎｍの厚みを有するＺｎＯ膜を堆積し、半導体層９を形成した。
【００５５】
（ｃ）  レジスト（図示せず）が塗布され、かつパターニングされた。さらにＥＢ蒸着を用いて５０ｎｍの厚みを有する白金膜を堆積した。レジストを除去するリフトオフ法を用いて、図６（ｃ）に示すように、第１上部電極１１、第２上部電極１３、および第３上部電極１５を形成した。
【００５６】
本実施例１では、第１チャネル２１の幅Ｗ1および長さＬ1、ならびに第２チャネル２３の幅Ｗ2および長さＬ2は、それぞれ、１０００μｍ、１μｍ、１０μｍ、および１０μｍであった。チャネルサイズ比αは１０００であった。
【００５７】
（ｄ）  ＭｇＯ（１００）単結晶基板２の下面にレジスト（図示せず）が塗布され、そしてパターニングされた。その後、８０℃に加熱した燐酸を用いて、ＭｇＯ（１００）単結晶基板２の中央部分が溶解された。レジストに保護されない部分のＭｇＯは燐酸によって溶解された。支持膜３は溶解されなかった。図６（ｄ）に示される構造は熱容量を大幅に低減するため、強誘電体層７の温度変化がより敏感に出力電圧ＶOUTに反映され得る。その後、レジストが除去され、焦電型温度センサを得た。
【００５８】
当該焦電型温度センサが２０℃の恒温槽（図示せず）に配置され、第１チャネル２１の抵抗値Ｒd1および第２チャネル２３の抵抗値Ｒu1を測定した。Ｒd1は４５メガオーム、Ｒu1は０．８６メガオームであった。
【００５９】
次に、恒温槽の温度を３０℃、４０℃、５０℃、６０℃、および７０℃に変更し、第１チャネル２１の抵抗値および第２チャネル２３の抵抗値を測定した。
【００６０】
最後に、恒温槽の温度を８０℃に変更し、第１チャネル２１の抵抗値Ｒd2および第２チャネル２３の抵抗値Ｒu2を測定した。Ｒd2は１６メガオーム、Ｒu2は１．０メガオームであった。
【００６１】
図７（ａ）は、上記測定により得られた、温度と第１チャネル２１の抵抗値との間の関係を示す。図７（ｂ）は、温度と第２チャネル２３の抵抗値との間の関係を示す。電源電圧ＶDDは１００ｍＶであった。
【００６２】
図８は、恒温槽の温度と出力電圧から等式（２）に基づいて算出された温度とを比較した表を示す。図８に示されるように、実際の温度は算出された温度に一致した。
【００６３】
（実施例２）
図９は、横軸がチャネルサイズの比αを表し、縦軸が出力電圧変化を表すグラフを示す。当該出力電圧変化は、２０℃から８０℃へ温度が上昇した際の焦電型温度センサの出力電圧の変化を意味する。図９に示すように、αの上昇に伴い出力変化が大きくなる。電圧変化の検出下限が０．１ｍＶであったので、αが３０以上である場合に検出可能な出力電圧変化が得られる。１ｍＶ以上の出力電圧変化が得られるため、好ましくは、αは３００以上である。
【００６４】
（実施例３）
図１０（ａ）は、強誘電体層７において異なる材料が用いられた場合における、温度と第１チャネル２１の抵抗値との間の関係を示す。図１０（ｂ）は、強誘電体層７において異なる材料が用いられた場合における、温度と第２チャネル２３の抵抗値との間の関係を示す。第１チャネル２１および第２チャネル２３は、実施例１のそれらと同じサイズを有する。
【００６５】
実施例３では、ＰＬＴに代えて、０．４：０．６のＺｒ：Ｔｉ比を有するＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3（ＰＺＴ）およびＰｂＴｉＯ3（ＰＴＯ）が用いられた。
【００６６】
強誘電体層７がＰＺＴからなる場合、Ｒd1、Ｒu1、Ｒd2、およびＲu2は、それぞれ、４３メガオーム、０．７５メガオーム、１４メガオーム、および０．８７メガオームであった。
【００６７】
強誘電体層７がＰＴＯである場合、Ｒd1、Ｒu1、Ｒd2、およびＲu2は、それぞれ、４８メガオーム、０．９４メガオーム、１６メガオーム、および１．１メガオームであった。実施例３では、実施例１と同様、恒温槽の温度が２０℃の場合にＲd1およびＲu1は得られた。恒温槽の温度が８０℃の場合に、Ｒd2およびＲu2は得られた。
【００６８】
図１１は、恒温槽の温度と出力電圧から等式（２）に基づいて算出された温度とを比較した表を示す。図１１に示されるように、実際の温度は算出された温度に一致した。
【００６９】
（実施例４）
実施例４では、強誘電体層７の厚みを変化させたときの焦電型温度センサの出力電圧を測定した。図１２は、強誘電体層７の厚みと、２０℃から８０℃へ温度が上昇した際の焦電型温度センサの出力電圧変化との関係を示す。
【００７０】
図１２に示されるように、強誘電体層７の厚さが薄くなると、出力電圧変化が小さくなった。特に強誘電体層７の厚さが７０ｎｍ未満になると出力電圧変化が急速に低下した。安定な検出の観点から、出力電圧変化は１ｍＶ以上であることが好ましい。図１２から理解されるように、１ｍＶ以上の出力電圧変化を得るためには、強誘電体層７は４０ｎｍ以上の厚みを有することが好ましい。
【００７１】
（実施例５）
実施例５では、半導体層９の厚みを変化させたときの焦電型温度センサの出力電圧を測定した。図１３は、半導体層９の厚みと、２０℃から８０℃へ温度が上昇した際の焦電型温度センサの出力電圧変化との関係を示す。
【００７２】
図１３に示されるように、半導体層９の厚さが厚くなると、出力電圧が小さくなった。特に半導体層９の厚さが７０ｎｍを超えると出力電圧変化が検出下限（０．１ｍＶ）以下になる。従って、図１３から理解されるように、半導体層９は７０ｎｍ以下の厚みを有することが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
様々な物体の温度が、本発明の方法により測定され得る。
【符号の説明】
【００７４】
１  焦電型温度センサ
２  基板
３  支持膜
５  第１下部電極
６  第２下部電極
７  強誘電体層
９  半導体層
１１  第１上部電極
１３  第２上部電極
１５  第３上部電極
１７  分極
２１  第１チャネル
２３  第２チャネル
８１  電圧計
Ｗ1  第１チャネルの幅
Ｌ1  第１チャネルの長さ
Ｗ2  第２チャネルの幅
Ｌ2  第２チャネルの長さ
Ｖout  出力電圧（第２上部電極の電位）
ＶDD  電源電圧
Ｔ  強誘電体層の温度
Ｔ1  強誘電体層の温度範囲下限
Ｔ2  強誘電体層の温度範囲上限
α  チャネルサイズ比
Ｒd  第１チャネルの抵抗値
Ｒd1  温度Ｔ1時の第１チャネルの抵抗値
Ｒd2  温度Ｔ2時の第１チャネルの抵抗値
Ｒu  第２チャネルの抵抗値
Ｒu1  温度Ｔ1時の第２チャネルの抵抗値
Ｒu2  温度Ｔ2時の第２チャネルの抵抗値
【図１】
2011111309.tif 000007
【図２】
2011111309.tif 000008
【図３】
2011111309.tif 000009
【図４】
2011111309.tif 000010
【図５】
2011111309.tif 000011
【図６】
2011111309.tif 000012
【図７】
2011111309.tif 000013
【図８】
2011111309.tif 000014
【図９】
2011111309.tif 000015
【図１０】
2011111309.tif 000016
【図１１】
2011111309.tif 000017
【図１２】
2011111309.tif 000018
【図１３】
2011111309.tif 000019
【図１４】
2011111309.tif 000020
【図１５】
2011111309.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成23年5月26日(2011.5.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焦電型温度センサを用いて温度を測定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
温度変化により焦電体表面の電荷量が増減する。これは、焦電効果と呼ばれる。焦電型温度センサは、焦電効果を利用して温度を検出する。特許文献１は、焦電体／半導体構造を備える従来の焦電型温度センサを開示している。
【０００３】
図１４は、特許文献１に開示された焦電型温度センサの断面図を示す。当該焦電型温度センサは、焦電薄膜１０１、センサ電極１０２、半導体薄膜１０３、ソース電極１０４、ドレイン電極１０５、層間絶縁膜１０６、および引き出し電極１０７を具備する。
【０００４】
温度の変化を原因とする焦電効果により、焦電薄膜１０１と半導体層１０３との界面の近傍の部分の電位が変調される。この変調が、チャネル領域または空乏層を形成する。当該形成は導電率を大きく変化する。このようにして、焦電薄膜における温度の変化が薄膜トランジスタのドレイン電流の変化に変換される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平２−１３７２６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１によれば、薄膜トランジスタの増幅特性を超える効果が得られない。さらに、ドレイン電流量の検出は、複雑な外部回路を必要とする。
【０００７】
本発明の目的は、より高い感度を有する小型の焦電型温度センサを用いて温度を測定する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、温度センサを用いて温度を測定する方法を提供する。当該方法は、以下の工程を具備する：
前記温度センサを準備する工程、
ここで、前記温度センサは、下部電極群、強誘電体層、半導体層、および上部電極群を具備しており、
前記下部電極群、前記強誘電体層、前記半導体層、および前記上部電極群は、この順で積層されており、
前記下部電極群は、第１の下部電極および第２の下部電極を具備しており、
前記上部電極群は、第１の上部電極、第２の上部電極、および第３の上部電極を具備しており、
前記第２の上部電極は、前記第１の上部電極と前記第３の上部電極との間に挟まれており、
前記第１の下部電極と前記第１の上部電極との間に、前記強誘電体層の第１強誘電体部分が挟まれ、
前記第２の下部電極と前記第３の上部電極との間に、前記強誘電体層の第２強誘電体部分が挟まれ、
前記第１強誘電体部分の分極方向は、前記第２強誘電体部分の分極方向とは逆であり、
前記第１の上部電極と前記第２の上部電極との間に挟まれる前記半導体層の部分に第１チャネルが形成されており、
前記第２の上部電極と前記第３の上部電極との間に挟まれる前記半導体層の部分に第２チャネルが形成されており、
前記第１の上部電極および前記第３の上部電極に、それぞれ電圧ＶDDおよび０Ｖを印加し、第２の上部電極からの出力電圧ＶOUTを測定する工程、
以下の等式（２）から温度Ｔを算出する工程
【数１】
2011111309.tif 000022
ここで、Ｒd1は、強誘電体層の温度ＴがＴ1の時の前記第１チャネルの抵抗値を表し、
Ｒu1は、強誘電体層の温度ＴがＴ1の時の第２チャネルの抵抗値を表し、
Ｒd2は、強誘電体層の温度ＴがＴ2の時の第１チャネルの抵抗値を表し、そして
Ｒu2は、強誘電体層の温度ＴがＴ2の時の第２チャネルの抵抗値を表す。
【０００９】
上記の温度センサもまた、本発明の趣旨に包含される。
【００１０】
上記の温度センサおよび演算装置を備えた温度測定装置も本発明の趣旨に包含される。
【００１１】
ここで、前記演算装置は、処理部、記憶部、出力部、および入力部を具備し、
前記入力部には前記第２の上部電極からの出力電圧ＶOUTが入力され、
前記記憶部は、定数Ｒｄ１、定数Ｒｕ１、定数Ｒｄ２、および定数Ｒｕ２を記憶しており、
前記処理部は、前記記憶部を参照しながら上記の等式（２）に基づいて温度Ｔを算出し、
前記出力部は、算出された前記温度Ｔを出力する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は高感度な焦電型温度センサを用いて温度を測定する方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、実施の形態１による焦電型温度センサを示す。
【図２】図２は、実施の形態１による焦電型温度センサの上面図を示す。
【図３】図３は、焦電型温度センサの初期状態における断面図を示す。
【図４】図４は、分極１７の方向を決める方法を示す。
【図５】図５（ａ）および図５（ｂ）は、それぞれ第１チャネル２１および第２チャネル２３の抵抗値を測定する方法を示す。
【図６】図６は、焦電型温度センサを製造する方法を示す。
【図７】図７（ａ）は、実施例１における温度と第１チャネル２１の抵抗値との間の関係を示す。図７（ｂ）は、温度と第２チャネル２３の抵抗値との間の関係を示す。
【図８】図８は、実施例１において、恒温槽の温度と出力電圧から算出された温度とを比較した表を示す。
【図９】図９は、実施例２における、横軸がチャネルサイズの比αを表し、縦軸が出力変化を表すグラフを示す。
【図１０】図１０（ａ）は、強誘電体層７において異なる材料が用いられた場合における、実施例３での温度と第１チャネル２１の抵抗値との間の関係を示す。図１０（ｂ）は、強誘電体層７において異なる材料が用いられた場合における、実施例３での温度と第２チャネル２３の抵抗値との間の関係を示す。
【図１１】図１１は、実施例３において、恒温槽の温度と出力電圧からの算出温度とを比較した表を示す。
【図１２】図１２は、実施例４において、強誘電体層７の厚みと、２０℃から８０℃へ温度が上昇した際の焦電型温度センサの出力電圧との関係を示す。
【図１３】図１３は、実施例５において、半導体層９の厚みと、２０℃から８０℃へ温度が上昇した際の焦電型温度センサの出力電圧との関係を示す。
【図１４】図１４は、特許文献１に開示された焦電型温度センサの断面図を示す。
【図１５】図１５は、本発明の焦電型温度センサ１および演算装置を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図面を参照しながら、本発明の実施の形態が以下、説明される。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１による焦電型温度センサを示す。
【００１６】
図１に示されるように、本焦電型温度センサ１は、基板２、支持膜３、下部電極群５・６、強誘電体層７、半導体層９、上部電極群１１・１３・１５を具備する。
【００１７】
下部電極群５・６、強誘電体層７、半導体層９、および上部電極群１１・１３・１５は、この順で積層されている。
【００１８】
下部電極群は、第１の下部電極５および第２の下部電極６を具備している。
【００１９】
上部電極群は、第１の上部電極１１、第２の上部電極１３、および第３の上部電極１５を具備している。
【００２０】
第２の上部電極１３は、第１の上部電極１１と第３の上部電極１５との間に挟まれている。
【００２１】
第１の下部電極５と第１の上部電極１１との間に、強誘電体層７の第１強誘電体部分７ａが挟まれている。
【００２２】
第２の下部電極６と第３の上部電極１５との間に、強誘電体層７の第２強誘電体部分７ｂが挟まれている。
【００２３】
第２強誘電体部分７ｂは、第１強誘電体部分７ａの分極方向とは逆の分極方向を有している。
【００２４】
第１の上部電極１１と第２の上部電極１３との間に挟まれる半導体層９の部分に第１チャネル２１が形成されている。第１強誘電体部分７ａは、第１チャネル２１の下に位置している。
【００２５】
第２の上部電極１３と第３の上部電極１５との間に挟まれる半導体層９の部分に第２チャネル２３が形成されている。第２強誘電体部分７ｂは、第２チャネル２３の下に位置している。
【００２６】
図１、図３、図４、および図５における矢印は、分極１７の方向を表す。本明細書では、当該矢印の先端に正の電荷が偏っていることが定義される。本明細書では、矢印の先端が半導体層９に向いている場合には、分極１７は上向きであると定義される。一方、矢印の先端が支持膜３を向いている場合には、分極１７は下向きであると定義される。
【００２７】
図１において、出力電圧Ｖoutは、電圧計８１によって測定される第２上部電極１３の電位を表す。
【００２８】
図２は、実施の形態１による焦電型温度センサの上面図を示す。図１は、図２のＡ−Ａ’断面図である。第１上部電極１１および第２上部電極１３は、それぞれ、第１チャネル２１のドレイン電極およびソース電極として機能する。第２上部電極１３および第３上部電極１５は、それぞれ、第２チャネル２３のドレイン電極およびソース電極として機能する。
【００２９】
第１チャネル２１は、Ｗ1の幅およびＬ1の長さを有する。第２チャネル２３は、Ｗ2の幅およびＬ2の長さを有する。
【００３０】
チャネルサイズ比αは以下の等式（１）により定義される。
α＝（Ｗ1／Ｌ1）／（Ｗ2／Ｌ2）  ・・・（１）
【００３１】
図３は、焦電型温度センサの初期状態における断面図を示す。図３に示されるように、初期状態においては、分極１７の方向は、しばしば、決められていない。
【００３２】
図４は、分極１７の方向を決める方法を示す。図４に示されるように、第１上部電極１１、第２上部電極１３、および第３上部電極１５を接地しながら、第１下部電極５および第２下部電極６に、それぞれ負の電圧および正の電圧が印加される。その後、電圧を除去する。このようにして、分極１７は図４に示されるように決定される。すなわち、第１チャネル２１の下に位置する強誘電体層７の第１強誘電体部分７ａにおける分極１７の向きは下向きになるように決定される。一方、第２チャネル２３の下に位置する強誘電体層７の第２強誘電体部分７ｂにおける分極１７の向きは上向きになるように決定される。
【００３３】
その後、第１チャネル２１および第２チャネル２３の抵抗値が測定される。図５（ａ）および図５（ｂ）は、それぞれ第１チャネル２１および第２チャネル２３の抵抗値を測定する方法を示す。
【００３４】
図５（ａ）に示されるように、第２上部電極１３、第１下部電極５、および第２下部電極６が接地されながら、第１上部電極１１に正の電圧が印加され、第１チャネル２１を流れる電流値を測定する。さらに、加熱手段（図示せず）を用いて焦電型温度センサ１の温度を変化させることによって、第１チャネル２１の抵抗値と温度との関係が得られる。
【００３５】
図５（ｂ）に示されるように、第３上部電極１５、第１下部電極５、および第２下部電極６が接地されながら、第２上部電極１３に正の電圧が印加され、第２チャネル２３を流れる電流値を測定する。図５（ａ）と同様に、加熱手段（図示せず）を用いて焦電型温度センサ１の温度を変化させることによって、第２チャネル２３の抵抗値と温度との関係が得られる。
【００３６】
このようにして、抵抗値Ｒd1、Ｒu1、Ｒd2、およびＲu2が得られる。
Ｒd1は、強誘電体層７の温度ＴがＴ1の時の第１チャネル２１の抵抗値を表す。
Ｒu1は、強誘電体層７の温度ＴがＴ1の時の第２チャネル２３の抵抗値を表す。
Ｒd2は、強誘電体層７の温度ＴがＴ2の時の第１チャネル２１の抵抗値を表す。
Ｒu2は、強誘電体層７の温度ＴがＴ2の時の第２チャネル２３の抵抗値を表す。
【００３７】
次に、温度を測定する方法が説明される。
【００３８】
図１に示されるように、電源電圧ＶDDが第１の上部電極１１に印加される。当該電源電圧ＶDDは、第１チャネル２１の抵抗値Ｒdおよび第２チャネル２３の抵抗値Ｒuに従って分配され、そして第２の上部電極１３の電位が出力電圧Ｖoutとして出力される。
【００３９】
温度Ｔの変化に従って抵抗値Ｒdおよび抵抗値Ｒuが変化する。これは、出力電圧Ｖoutが変化することをもらたす。
【００４０】
本発明者らは、出力電圧Ｖout、抵抗値Ｒd1、抵抗値Ｒu1、抵抗値Ｒd2、および抵抗値Ｒu2を含む以下の等式（２）から、強誘電体層７の温度Ｔ℃を測定できることを見出した。
【数２】
2011111309.tif 000023
【００４１】
図７に示されるように、本発明者らは、チャネルの抵抗値が当該チャネルの温度に比例することを見出した。さらに、本発明者らは、強誘電体層７における分極の向きが反転されると、当該比例の傾きも反転するという関係も見出した。
【００４２】
すなわち、下向きの分極１７を有する第１強誘電体部分７ａに接する第１チャネル２１の温度が上昇すると、当該第１チャネル２１の抵抗値は低下する。当該第１チャネル２１の抵抗値の低下は、当該温度の上昇に比例する。
【００４３】
一方、上向きの分極１７を有する第２強誘電体部分７ｂに接する第２チャネル２３の温度が上昇すると、当該第２チャネル２３の抵抗値は上昇する。当該第２チャネル２３の抵抗値の上昇は、当該温度の上昇に比例する。
【００４４】
言うまでもないが、下向きの分極を有する第１強誘電体部分７ａに接する第１チャネル２１の温度が低下すると、当該第１チャネル２１の抵抗値は上昇する。当該第１チャネル２１の抵抗値の上昇は、当該温度の低下に比例する。
【００４５】
一方、上向きの分極を有する第２強誘電体部分７ｂに接する第２チャネル２３の温度が低下すると、当該第２チャネルの抵抗値は低下する。当該第２チャネル２３の抵抗値の低下は、当該温度の低下に比例する。
【００４６】
本発明の焦電型温度センサは、１５０℃以下の温度測定に用いられ得る。温度が１５０℃を超える場合、分極が不安定になり得る。本発明の焦電型温度センサは、−２０℃以上の温度測定に用いられることが好ましい。
【００４７】
当該関係のため、従来の焦電型温度センサと比較して、本発明の焦電型温度センサは、温度に対するより高い感度を有する。
【００４８】
本発明の温度測定装置は、上記の焦電型温度センサおよび演算装置を備える。図１５に示されるように、演算装置は、処理部、記憶部、出力部、および入力部を具備する。第２の上部電極１３からの出力電圧ＶOUTが入力部に入力される。記憶部は、定数Ｒｄ1、定数Ｒｕ1、定数Ｒｄ2、定数Ｒｕ2を記憶している。これらの定数は、工場において量産された当該温度測定装置が当該工場から出荷されるまでに、記憶部に記憶される。すなわち、工場出荷時においてこれらの定数が記憶された温度測定装置は、本発明の趣旨に包含される。
【００４９】
本発明の温度測定装置のユーザは、そのユーザがその温度を知りたい物体に温度センサを触れさせる。処理部は、記憶部を参照しながら上記の等式（２）に基づいて温度Ｔを算出する。そして、出力部は、算出された温度Ｔを出力する。このようにして、当該ユーザは当該物体の温度Ｔを知る。当該物体は、気体、液体、または固体であり得る。
【００５０】
（実施例）
以下の実施例は本発明をより詳細に説明する。
【００５１】
（実施例１）
図６は、焦電型温度センサを製造する方法を示す。
【００５２】
（ａ）  ７００℃の温度下にて、ＭｇＯ（１００）単結晶基板２の上に、パルスレーザ堆積法（以下、「ＰＬＤ法」）により、１５０ｎｍの厚みを有するＳｒＴｉＯ3薄膜が堆積され、支持膜３を形成した。
【００５３】
基板２の温度を４００℃に設定した後、２００ｎｍの厚みを有する白金膜がＰＬＤ法で堆積された。レジスト（図示せず）が塗布され、かつパターニングされ、エッチングマスクを形成した。ＣＦ4ガスを用いた反応性イオンエッチング法により白金膜がエッチングされた。その後、レジストを除去し、図６（ａ）に示すように、第１下部電極５および第２下部電極６が形成された。
【００５４】
（ｂ）  基板２の温度を６００℃に設定した後、５００ｎｍの厚みを有する（Pb,La)TiO3膜（ＰＬＴ膜）がＰＬＤ法により堆積された。このようにして、図６（ｂ）に示すように、強誘電体層７が堆積された。ＰＬＴ膜のＰｂ：Ｌａ比は９：１に設定された。基板２の温度を４００℃に設定した後、ＰＬＤ法により、３０ｎｍの厚みを有するＺｎＯ膜を堆積し、半導体層９を形成した。
【００５５】
（ｃ）  レジスト（図示せず）が塗布され、かつパターニングされた。さらにＥＢ蒸着を用いて５０ｎｍの厚みを有する白金膜を堆積した。レジストを除去するリフトオフ法を用いて、図６（ｃ）に示すように、第１上部電極１１、第２上部電極１３、および第３上部電極１５を形成した。
【００５６】
本実施例１では、第１チャネル２１の幅Ｗ1および長さＬ1、ならびに第２チャネル２３の幅Ｗ2および長さＬ2は、それぞれ、１０００μｍ、１μｍ、１０μｍ、および１０μｍであった。チャネルサイズ比αは１０００であった。
【００５７】
（ｄ）  ＭｇＯ（１００）単結晶基板２の下面にレジスト（図示せず）が塗布され、そしてパターニングされた。その後、８０℃に加熱した燐酸を用いて、ＭｇＯ（１００）単結晶基板２の中央部分が溶解された。レジストに保護されない部分のＭｇＯは燐酸によって溶解された。支持膜３は溶解されなかった。図６（ｄ）に示される構造は熱容量を大幅に低減するため、強誘電体層７の温度変化がより敏感に出力電圧ＶOUTに反映され得る。その後、レジストが除去され、焦電型温度センサを得た。
【００５８】
当該焦電型温度センサが２０℃の恒温槽（図示せず）に配置され、第１チャネル２１の抵抗値Ｒd1および第２チャネル２３の抵抗値Ｒu1を測定した。Ｒd1は４５メガオーム、Ｒu1は０．８６メガオームであった。
【００５９】
次に、恒温槽の温度を３０℃、４０℃、５０℃、６０℃、および７０℃に変更し、第１チャネル２１の抵抗値および第２チャネル２３の抵抗値を測定した。
【００６０】
最後に、恒温槽の温度を８０℃に変更し、第１チャネル２１の抵抗値Ｒd2および第２チャネル２３の抵抗値Ｒu2を測定した。Ｒd2は１６メガオーム、Ｒu2は１．０メガオームであった。
【００６１】
図７（ａ）は、上記測定により得られた、温度と第１チャネル２１の抵抗値との間の関係を示す。図７（ｂ）は、温度と第２チャネル２３の抵抗値との間の関係を示す。電源電圧ＶDDは１００ｍＶであった。
【００６２】
図８は、恒温槽の温度と出力電圧から等式（２）に基づいて算出された温度とを比較した表を示す。図８に示されるように、実際の温度は算出された温度に一致した。
【００６３】
（実施例２）
図９は、横軸がチャネルサイズの比αを表し、縦軸が出力電圧変化を表すグラフを示す。当該出力電圧変化は、２０℃から８０℃へ温度が上昇した際の焦電型温度センサの出力電圧の変化を意味する。図９に示すように、αの上昇に伴い出力変化が大きくなる。電圧変化の検出下限が０．１ｍＶであったので、αが３０以上である場合に検出可能な出力電圧変化が得られる。１ｍＶ以上の出力電圧変化が得られるため、好ましくは、αは３００以上である。
【００６４】
（実施例３）
図１０（ａ）は、強誘電体層７において異なる材料が用いられた場合における、温度と第１チャネル２１の抵抗値との間の関係を示す。図１０（ｂ）は、強誘電体層７において異なる材料が用いられた場合における、温度と第２チャネル２３の抵抗値との間の関係を示す。第１チャネル２１および第２チャネル２３は、実施例１のそれらと同じサイズを有する。
【００６５】
実施例３では、ＰＬＴに代えて、０．４：０．６のＺｒ：Ｔｉ比を有するＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3（ＰＺＴ）およびＰｂＴｉＯ3（ＰＴＯ）が用いられた。
【００６６】
強誘電体層７がＰＺＴからなる場合、Ｒd1、Ｒu1、Ｒd2、およびＲu2は、それぞれ、４３メガオーム、０．７５メガオーム、１４メガオーム、および０．８７メガオームであった。
【００６７】
強誘電体層７がＰＴＯである場合、Ｒd1、Ｒu1、Ｒd2、およびＲu2は、それぞれ、４８メガオーム、０．９４メガオーム、１６メガオーム、および１．１メガオームであった。実施例３では、実施例１と同様、恒温槽の温度が２０℃の場合にＲd1およびＲu1は得られた。恒温槽の温度が８０℃の場合に、Ｒd2およびＲu2は得られた。
【００６８】
図１１は、恒温槽の温度と出力電圧から等式（２）に基づいて算出された温度とを比較した表を示す。図１１に示されるように、実際の温度は算出された温度に一致した。
【００６９】
（実施例４）
実施例４では、強誘電体層７の厚みを変化させたときの焦電型温度センサの出力電圧を測定した。図１２は、強誘電体層７の厚みと、２０℃から８０℃へ温度が上昇した際の焦電型温度センサの出力電圧変化との関係を示す。
【００７０】
図１２に示されるように、強誘電体層７の厚さが薄くなると、出力電圧変化が小さくなった。特に強誘電体層７の厚さが７０ｎｍ未満になると出力電圧変化が急速に低下した。安定な検出の観点から、出力電圧変化は１ｍＶ以上であることが好ましい。図１２から理解されるように、１ｍＶ以上の出力電圧変化を得るためには、強誘電体層７は４０ｎｍ以上の厚みを有することが好ましい。
【００７１】
（実施例５）
実施例５では、半導体層９の厚みを変化させたときの焦電型温度センサの出力電圧を測定した。図１３は、半導体層９の厚みと、２０℃から８０℃へ温度が上昇した際の焦電型温度センサの出力電圧変化との関係を示す。
【００７２】
図１３に示されるように、半導体層９の厚さが厚くなると、出力電圧が小さくなった。特に半導体層９の厚さが７０ｎｍを超えると出力電圧変化が検出下限（０．１ｍＶ）以下になる。従って、図１３から理解されるように、半導体層９は７０ｎｍ以下の厚みを有することが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
様々な物体の温度が、本発明の方法により測定され得る。
【符号の説明】
【００７４】
１  焦電型温度センサ
２  基板
３  支持膜
５  第１下部電極
６  第２下部電極
７  強誘電体層
９  半導体層
１１  第１上部電極
１３  第２上部電極
１５  第３上部電極
１７  分極
２１  第１チャネル
２３  第２チャネル
８１  電圧計
Ｗ1  第１チャネルの幅
Ｌ1  第１チャネルの長さ
Ｗ2  第２チャネルの幅
Ｌ2  第２チャネルの長さ
Ｖout  出力電圧（第２上部電極の電位）
ＶDD  電源電圧
Ｔ  強誘電体層の温度
Ｔ1  強誘電体層の温度範囲下限
Ｔ2  強誘電体層の温度範囲上限
α  チャネルサイズ比
Ｒd  第１チャネルの抵抗値
Ｒd1  温度Ｔ1時の第１チャネルの抵抗値
Ｒd2  温度Ｔ2時の第１チャネルの抵抗値
Ｒu  第２チャネルの抵抗値
Ｒu1  温度Ｔ1時の第２チャネルの抵抗値
Ｒu2  温度Ｔ2時の第２チャネルの抵抗値
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度センサにより温度を測定する方法であって、以下の工程（ａ）〜（ｃ）を具備する：
前記温度センサを準備する工程（ａ）、
ここで、前記温度センサは、下部電極群、強誘電体層、半導体層、および上部電極群を具備しており、
前記下部電極群、前記強誘電体層、前記半導体層、および前記上部電極群は、この順で積層されており、
前記下部電極群は、第１の下部電極および第２の下部電極を具備しており、
前記上部電極群は、第１の上部電極、第２の上部電極、および第３の上部電極を具備しており、
前記第２の上部電極は、前記第１の上部電極と前記第３の上部電極との間に挟まれており、
前記第１の下部電極と前記第１の上部電極との間に、前記強誘電体層の第１強誘電体部分が挟まれ、
前記第２の下部電極と前記第３の上部電極との間に、前記強誘電体層の第２強誘電体部分が挟まれ、
前記第２強誘電体部分は、前記第１強誘電体部分の分極方向とは逆の分極方向を有し、
前記第１の上部電極と前記第２の上部電極との間に挟まれる前記半導体層の部分に第１チャネルが形成されており、
前記第２の上部電極と前記第３の上部電極との間に挟まれる前記半導体層の部分に第２チャネルが形成されており、
前記第１の上部電極および前記第３の上部電極に、それぞれ電圧ＶDDおよび０Ｖを印加し、第２の上部電極からの出力電圧ＶOUTを測定する工程（ｂ）、
以下の等式（２）から温度Ｔを算出する工程（ｃ）
【数３】
2011111309.tif 000024
ここで、Ｒd1は、強誘電体層の温度ＴがＴ1の時の前記第１チャネルの抵抗値を表し、
Ｒu1は、強誘電体層の温度ＴがＴ1の時の前記第２チャネルの抵抗値を表し、
Ｒd2は、強誘電体層の温度ＴがＴ2の時の前記第１チャネルの抵抗値を表し、そして
Ｒu2は、強誘電体層の温度ＴがＴ2の時の前記第２チャネルの抵抗値を表す。
【請求項２】
前記第１チャネルは、幅Ｗ1および長さＬ1を有しており、
前記第２チャネルは、幅Ｗ2および長さＬ2を有しており、
以下の等式（１）によって表されるチャネルサイズ比αが３０以上である、請求項１に記載の方法。
α＝（Ｗ1／Ｌ1）／（Ｗ2／Ｌ2）  ・・・（１）
【請求項３】
前記強誘電体層が４０ｎｍ以上の厚みを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記半導体層が７０ｎｍ以下の厚みを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記半導体層が７０ｎｍ以下の厚みを有する、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記強誘電体層が４０ｎｍ以上の厚みを有する、請求項２に記載の方法。
【請求項７】
前記半導体層が７０ｎｍ以下の厚みを有する、請求項２に記載の方法。
【請求項８】
前記半導体層が７０ｎｍ以下の厚みを有する、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
以下を具備する温度センサ：
前記温度センサは、下部電極群、強誘電体層、半導体層、および上部電極群を具備しており、
前記下部電極群、前記強誘電体層、前記半導体層、および前記上部電極群は、この順で積層されており、
前記下部電極群は、第１の下部電極および第２の下部電極を具備しており、
前記上部電極群は、第１の上部電極、第２の上部電極、および第３の上部電極を具備しており、
前記第２の上部電極は、前記第１の上部電極と前記第３の上部電極との間に挟まれており、
前記第１の下部電極と前記第１の上部電極との間に、前記強誘電体層の第１強誘電体部分が挟まれ、
前記第２の下部電極と前記第３の上部電極との間に、前記強誘電体層の第２強誘電体部分が挟まれ、
前記第２強誘電体部分は、前記第１強誘電体部分の分極方向とは逆の分極方向を有し、
前記第１の上部電極と前記第２の上部電極との間に挟まれる前記半導体層の部分に第１チャネルが形成されており、
前記第２の上部電極と前記第３の上部電極との間に挟まれる前記半導体層の部分に第２チャネルが形成されている。
【請求項１０】
前記第１チャネルは、幅Ｗ1および長さＬ1を有しており、
前記第２チャネルは、幅Ｗ2および長さＬ2を有しており、
以下の等式（１）によって表されるチャネルサイズ比αが３０以上である、請求項９に記載の温度センサ。
α＝（Ｗ1／Ｌ1）／（Ｗ2／Ｌ2）  ・・・（１）
【請求項１１】
前記強誘電体層が４０ｎｍ以上の厚みを有する、請求項９に記載の温度センサ。
【請求項１２】
前記半導体層が７０ｎｍ以下の厚みを有する、請求項９に記載の温度センサ。
【請求項１３】
前記半導体層が７０ｎｍ以下の厚みを有する、請求項１１に記載の温度センサ。
【請求項１４】
前記強誘電体層が４０ｎｍ以上の厚みを有する、請求項１０に記載の温度センサ。
【請求項１５】
前記半導体層が７０ｎｍ以下の厚みを有する、請求項１０に記載の温度センサ。
【請求項１６】
前記半導体層が７０ｎｍ以下の厚みを有する、請求項１４に記載の温度センサ。
【請求項１７】
以下を具備する温度測定装置：
前記温度測定装置は、温度センサおよび演算装置を備え、
前記温度センサは、下部電極群、強誘電体層、半導体層、および上部電極群を具備しており、
前記下部電極群、前記強誘電体層、前記半導体層、および前記上部電極群は、この順で積層されており、
前記下部電極群は、第１の下部電極および第２の下部電極を具備しており、
前記上部電極群は、第１の上部電極、第２の上部電極、および第３の上部電極を具備しており、
前記第２の上部電極は、前記第１の上部電極と前記第３の上部電極との間に挟まれており、
前記第１の下部電極と前記第１の上部電極との間に、前記強誘電体層の第１強誘電体部分が挟まれ、
前記第２の下部電極と前記第３の上部電極との間に、前記強誘電体層の第２強誘電体部分が挟まれ、
前記第２強誘電体部分は、前記第１強誘電体部分の分極方向とは逆の分極方向を有し、
前記第１の上部電極と前記第２の上部電極との間に挟まれる前記半導体層の部分に第１チャネルが形成されており、
前記第２の上部電極と前記第３の上部電極との間に挟まれる前記半導体層の部分に第２チャネルが形成されており、
前記演算装置は、処理部、記憶部、出力部、および入力部を具備し、
前記入力部には前記第２の上部電極からの出力電圧ＶOUTが入力され、
前記記憶部は、定数Ｒd1、定数Ｒu1、定数Ｒd2、定数Ｒu2を記憶しており、
前記処理部は、前記記憶部を参照しながら以下の等式（２）に基づいて温度Ｔを算出し、
【数４】
2011111309.tif 000025
前記出力部は、算出された前記温度Ｔを出力し、
前記出力電圧Ｖoutは、前記第１の上部電極および前記第３の上部電極に、それぞれ電圧ＶDDおよび０Ｖを印加したときに第２の上部電極から出力される電圧であり、
Ｒd1は、強誘電体層の温度ＴがＴ1の時の前記第１チャネルの抵抗値を表し、
Ｒu1は、強誘電体層の温度ＴがＴ1の時の前記第２チャネルの抵抗値を表し、
Ｒd2は、強誘電体層の温度ＴがＴ2の時の前記第１チャネルの抵抗値を表し、そして
Ｒu2は、強誘電体層の温度ＴがＴ2の時の前記第２チャネルの抵抗値を表す。
【請求項１８】
前記第１チャネルは、幅Ｗ1および長さＬ1を有しており、
前記第２チャネルは、幅Ｗ2および長さＬ2を有しており、
以下の等式（１）によって表されるチャネルサイズ比αが３０以上である、請求項１７に記載の温度測定装置。
α＝（Ｗ1／Ｌ1）／（Ｗ2／Ｌ2）  ・・・（１）
【請求項１９】
前記強誘電体層が４０ｎｍ以上の厚みを有する、請求項１７に記載の温度測定装置。
【請求項２０】
前記半導体層が７０ｎｍ以下の厚みを有する、請求項１７に記載の温度測定装置。
【請求項２１】
前記半導体層が７０ｎｍ以下の厚みを有する、請求項１９に記載の温度測定装置。
【請求項２２】
前記強誘電体層が４０ｎｍ以上の厚みを有する、請求項１８に記載の温度測定装置。
【請求項２３】
前記半導体層が７０ｎｍ以下の厚みを有する、請求項１８に記載の温度測定装置。
【請求項２４】
前記半導体層が７０ｎｍ以下の厚みを有する、請求項２２に記載の温度測定装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2011111309.tif 000026
【図２】
2011111309.tif 000027
【図３】
2011111309.tif 000028
【図４】
2011111309.tif 000029
【図５】
2011111309.tif 000030
【図６】
2011111309.tif 000031
【図７】
2011111309.tif 000032
【図８】
2011111309.tif 000033
【図９】
2011111309.tif 000034
【図１０】
2011111309.tif 000035
【図１１】
2011111309.tif 000036
【図１２】
2011111309.tif 000037
【図１３】
2011111309.tif 000038
【図１４】
2011111309.tif 000039
【図１５】
2011111309.tif 000040
【国際調査報告】
2011111309.tif 000041
2011111309.tif 000042
2011111309.tif 000043
2011111309.tif 000044